QUIMICA INORGÁNICA (QMC 104) ¨EL HIDROGENO¨
NOMBRE : UNIV. MAMANI MAMANI LIMACHI CHRISTIAN ELIAS DOCENTE: ING.M.Sc. PARRA ZEBALLOS ROBERTO AUX.DOC : UNIV. HUANCA TERESA FECHA DE REALIZACION: 31/10/2017 FECHA DE PRESENTACION: 07/11/2017
LA PAZ - BOLIVIA
EL HIDROGENO 1. OBJETIVOS.1.1 OBJETIVO GENERAL: Estudiar las propiedades del hidrogeno 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS: Obtener hidrogeno gaseoso por reacción de un metal metal con una solución concentrada de ácido clorhídrico. Obtener hidrogeno gaseoso por electrolisis. Reducir un oxido metálico por acción del hidrogeno gaseoso. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO.
El elemento químico hidrógeno es el más sencillo de toda la tabla periódica, tiene periódica, tiene un solo protón en su núcleo atómico.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. A condiciones ambientales y normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, está compuesto de moléculas diatómicas H 2. El símbolo del hidrógeno es H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en el universo entero. El hidrógeno es el combustible de las estrellas. En ellas se convierte en helio mediante la fusión nuclear. Este proceso es el empleado en las bombas atómicas que se conocen como bombas de hidrógeno o termonucleares. Isótopos del hidrógeno En la naturaleza existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.
USOS DEL HIDRÓGENO El uso mas importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno y en el tratamiento con hidrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear. PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO Entre las propiedades más saltantes del hidrógeno tenemos: El hidrógeno común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos. A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador. A temperaturas elevadas es muy reactivo.
PREPARACIÓN PREPARACIÓN DEL HIDRÓGENO Existen diferentes métodos para preparar hidrógeno gaseoso. La elección del método depende de factores como la cantidad de hidrógeno deseada, la pureza requerida y la disponibilidad y costo de la materia prima. Entre los procesos que más se emplean están las reacciones de metales con agua o con ácidos, la electrólisis del agua, la reacción de vapor con hidrocarburos u otros materiales orgánicos, y la descomposición térmica de hidrocarburos. La principal materia prima para la producción de hidrógeno son los hidrocarburos, como el gas natural, gas de aceite refinado, gasolina, aceite combustible y petróleo crudo. EFECTOS DEL HIDRÓGENO SOBRE LA SALUD 1. Efectos de la exposición del hidrógeno: Fuego: Extremadamente inflamable. Muchas reacciones pueden causar fuego o explosión. Explosión: La mezcla del gas con el aire es explosiva. Vías de exposición: La sustancia puede ser absorbida por el cuerpo por inhalación. Inhalación: Altas concentraciones de este gas pueden causar un ambiente deficiente de oxígeno. Los individuos que respiran esta atmósfera pueden experimentar síntomas que incluyen dolores de cabeza, pitidos en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, náuseas, vómitos y depresión de todos los sentidos. La piel de una víctima puede presentar una coloración azul. Bajo algunas circunstancias se puede producir la muerte. No se supone que el hidrógeno cause mutagénesis, embriotoxicidad, teratogenicidad o toxicidad reproductiva. Las enfermedades respiratorias pre-existentes pueden ser agravadas por la sobreexposición al hidrógeno. Riesgo de inhalación: Si se producen pérdidas en su contenedor, se alcanza rápidamente una concentración peligrosa. 2. Peligros físicos: El gas se mezcla bien con el aire, se forman fácilmente mezclas explosivas. El gas es más ligero que el aire. 3. Peligros químicos: El calentamiento puede provocar combustión violenta o explosión. Reacciona violentamente con el aire, oxígeno, halógenos y oxidantes fuertes provocando riesgo de incendio y explosión. Los catalizadores metálicos, tales como platino y níquel, aumentan enormemente estas reacciones. Elevadas concentraciones en el aire provocan una deficiencia de oxígeno con el riesgo de inconsciencia o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la habitación. No hay advertencia de olor si hay concentraciones tóxicas presentes. Medir concentraciones de hidrógeno con un detector de gas adecuado un detector normal de gas inflamable no es adecuado para este propósito. EFECTOS AMBIENTALES DEL HIDRÓGENO Estabilidad ambiental: El hidrógeno existe naturalmente en la atmósfera. El gas se disipará rápidamente en áreas bien ventiladas.
Efecto sobre plantas o animales: Cualquier efecto en animales será debido a los ambientes deficientes de oxígeno. No se anticipa que tenga efectos adversos sobre las plantas, aparte de la helada producida en presencia de los gases de expansión rápida. Efecto sobre la vida acuática: Actualmente no se dispone de evidencia sobre el efecto del hidrógeno en la vida acuática. La preparación de H2 a escala industrial se lleva a cabo mediante los siguientes procesos: i.
Procesos de reformado del vapor de agua con el gas natural.
ii.
Electrolisis del agua.
iii.
Como subproducto de las industrias del cloro-alcali, de las refinerías, de las plantas petroquímicas, de las plantas de carbón y de otras industrias químicas.
Otros Procesos de Producción del Hidrógeno El hidrógeno se forma como subproducto, a gran escala, en un número importante de procesos industriales:
en el craqueo y reformado del petróleo.
en procesos de producción de alquenos, acetileno y estireno.
en el proceso Fischer-Tropsch (síntesis de metanol).
en la síntesis de amoniaco.
en la industria cloro-alcali
3. METÓDICA EXPERIMENTAL.3.1. Lista de materiales:
MATERIA MATE RIAL L Probeta Vidrio reloj Pipeta Voltametro de hoffman Soporte universal Tubo de ensayo Balanza Pro pipeta Matraz erlenmeyer Vaso de precipitado Cepillo Mechero Tubo de conexión 3.2.
DESC DESCRI RIPC PCII N CANTI CANTIDA DAD D 100ml 1 Vidrio 1 1 1 1 20X150mm 1 Electrónica 1 Plástica 1 vidrio 1 1000ml 1 1 1 2
Lista de reactivos químicos: REACTIVO Zinc Granallas de Zinc Ácido sulfurico Oxido de Cobre II Ácido clorhídrico
3.3.
CARACTERISTICAS 0.20g 15g 2g 5ml 6N
Procedimiento Experimental:
PRIMERA PARTE: OBTENCIÓN DEL HIDROGENO INICIO
Armar el equipo para la obtención del hidrogeno gaseoso.
Llenar la probeta con agua totalmente
Invertirla e introducirla en un vaso pp lleno de agua. Totalmente
0.20g Zinc metálico
5ml sol. HCl 6N.
Tubo generador de gases
Registrar datos
FIN
SEGUNDA PARTE: ELECTROLISIS DEL AGUA INICIO
Armar el voltámetro de Hoffman. Agua acidulada con ac. Sulfúrico al 5%
Conectar el circuito, esperar 10min
Conectar una manguera en la rama del hidrogeno para que combustione.
Registrar datos
FIN
Medir el tiempo, la intensidad, la temperatura y las alturas del H2 y el O2.
TERCERA PARTE: REDUCCIÓN DEL OXIDO CÚPRICO. INICIO
Montar el dispositivo para dicha prueba.
Pesar 2g de CuO En un tubo de 20x150mm.
Pesar el tubo de ensayo y la muestra con una aprox. de 0.01g
Extender el CuO en el tubo t ubo de ensayo de forma horizontal.
Disponer de un matraz Erlenmeyer limpio 15g de granallas de Zn.
Procure que el extremo de seguridad quede dentro del agua..
Cubrir el Zn con 25ml de agua.
Gotas de sulfato de cobre acuoso.0.1M Con una toalla humeda envolver el matraz.
25 ml Ácido sulfúrico 6M
No encender el mechero por lo menos en 5min. Calentar suavemente al principio y después fuertemente.
Mover lentamente el mechero hacia el extremo abierto hasta que se forme el cobre.
Por el extremo cerrado.
Registrar datos
Apagar el mechero
Solo si la reacción se ha detenido.
Desconectar el generador de hidrogeno.
Elimine cualquier reacción llenándolo con agua de la pileta desecharlo por el desagüe.
Suna vez enfriado el tubo a temp. Ambiente. Retirar del soporte el tubo de vidrio.
¿existe humedad?
si
Secar cuidadosamente con una toalla, manteniedola en posición horizontal
no
Pesar el tubo de ensayo que contiene el cobre.
FIN
4. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS.PRIMERA PARTE: OBTENCIÓN DEL HIDROGENO Los datos obtenidos en laboratorio fueron: Masa del Zinc (g) Volumen del hidrogeno (ml) Temperatura (K) Presión manométrica (mmH2O) Presión de vapor del agua (mmHg)
0.205(g) 20(ml)=0.02(l) 293(K) 206(mm) 17.5(mmHg)
Determine la masa de Hidrogeno obtenido experimentalmente y calcule el rendimiento del proceso.
La reacción llevada a cabo fue:
→ ↑ 1 × 2 = 6.3077 ×10− 0.205 × 1 × 65 1 1 De:
ℎ = ℎ ∗/ Entonces: ℎ = = ./ = 15.147 Por lo tanto:
= = 495 15.147 = 479.853 Pero con la presión de vapor:
= 479.853 17.5 = 462.353 De la ecuación de estado:
∗0.02 ∗ 2 462.353 462.353 ∗0.02 = = = 1.011 0115 × 10− ∗ 62.4[ ∗ ∗ ] ∗ 293 .× Entonces: Γ = .×∗100% → Γ = 16.04%
SEGUNDA PARTE: ELECTROLISIS DEL AGUA Los datos obtenidos en laboratorio fueron: Intensidad de corriente(mA) Tiempo de electrolisis Temperatura (K) Volumen de hidrogeno (ml) Presión manométrica del hidrogeno Volumen de oxigeno (ml) Presión manométrica de oxigeno Presión de vapor de agua
0.15(A) 15.09(min)=905.4(s) 295(K) 0.0289(l) 225 (mmH2O) 0.0141(l) 120(mmH2O) 19.8(mmHg)
Las reacciones que ocurren para el agua son: En el ánodo: (oxidación)
2 → 4+ 4− En el cátodo: (reducción)
2 − 2 → 2−
Calcular la carga total transferida en cada experiencia mediante la relación Q=I*t, donde, Q es la carga en Culombios, I la intensidad en Amperios y t el tiempo en segundos.
= ∗ = 0.15 15 ∗905.4 ∗905.4 = 135.81
Calcular la masa de hidrogeno que se ha producido aplicando la primera ley de Faraday.
= 135.81 ∗ 1 [ ] = 96500[ ] = 0.00141
Calcular la masa experimental de hidrogeno producida empleando la ecuación general de los gases en condiciones de volumen, temperatura y presión del sistema de la experiencia. De:
Entonces: Por lo tanto:
ℎ = ℎ ℎ = = ∗/ ./ = 16.54
= = 495 16.54 = 511.54 Pero con la presión de vapor: = 511.54 19.8 = 491.74 De la ecuación de estado:
∗0.0289 ∗ 2 491.74 = = = 0.00154 ∗ 62.4[ ∗ ]∗295 ∗ ]∗295 =0.00154
Calcule la masa de oxigeno que se ha producido aplicando la primera primera ley de Faraday.
= 135.81 ∗ 8 [ ] = 96500[ ] = 0.0112
Calcule la masa experimental de oxigeno producido empleando la ecuación general de los gases en condiciones de volumen, temperatura y presión del sistema de la experiencia. De:
Entonces: Por lo tanto:
ℎ = ℎ ℎ = = ∗/ ./ = 8.82
= = 495 8.82 = 503.82 Pero con la presión de vapor: = 503.82 19.8 = 484.02
De la ecuación de estado:
∗0.0141 ∗16 484.02 484.02 ∗0.0141 = = = 0.006 ∗ 62.4[ ∗ ∗ ] ∗ 295 =0.006
Determine el rendimiento del proceso para ambos gases. Para el hidrogeno:
Γ = . 100% → Γ = 91. 91.56% 56% . ∗ 100% Para el oxígeno:
0.006 ]∗100% → Γ = 53.57% Γ = [0.0112 TERCERA PARTE: REDUCCIÓN DEL OXIDO CÚPRICO Los datos obtenidos en laboratorio fueron: Masa de CuO Masa de Zinc Volumen de H2SO4 Volumen de agua Masa de CaCl2 Masa de tubo + CuO Masa de tubo +cobre Masa de tubo
2(g) 15.15(g) 50(ml) 6M 25(ml) 5.05(g) 206.3(g) 205.72(g) 204.3(g)
Determinar el peso del cobre
= 205.72 205.72 204.3 204.3 = 1.42
5. INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS: PRIMERA PARTE: La reacción de un metal con un ácido, desprende hidrogeno gaseoso. Los resultados no fueron satisfactorios del todo, ya que el tapón usado no tenía un orificio por donde añadir el ácido clorhídrico, tampoco se disponía de una jeringa; es por eso que el rendimiento fue bajo, debido a las fugas del gas hidrogeno. SEGUNDA PARTE En la hidrolisis del agua se pudo notar que para 2mol de hidrogeno tendrían q haber 1 mol de oxígeno, ambos gaseosos; eso se evidencian en el voltámetro de Hoffman ya que el volumen de oxigeno era casi igual al doble del volumen de hidrogeno. Los resultados obtenidos no
fueron muy exacto a los que esperábamos, esto puede ser debido a la intensidad con que fluía la corriente eléctrica; y al tiempo que se toma para la electrolisis. Experimentalmente se comprobó la relación 2:1 del hidrogeno y el oxígeno. Pero teóricamente existieron algunas dificultades para realizar los cálculos. TERCERA PARTE: Al calcular la masa de cobre, nos dio un resultado menor al resultado inicial (pesado). Esto debido a que en el experimento hubo algunas perdidas, ya sea en el lavado o al calentar con el mechero.
6. CONCLUSIONES: El hidrogeno es el elemento der la tabla periódica más sencillo, donde en este laboratorio se observó una de las propiedades más importantes del hidrogeno gaseoso, que es un agente reductor muy potente. Se obtuvo hidrogeno gaseoso, tanto tanto por reacción con un metal y solución de un ácido, que por la electrolisis. En ambos casos se observó las características y diferencias en cada una de ellas. Pudimos reducir un oxido metálico, en este caso el óxido de cobre II, usando como agente reductor al hidrogeno gaseoso. 7. CUESTIONARIO:
7.1) Escriba las ecuaciones de las principales reacciones que se producen en esta investigación.
→ → ↑ → 7.2) ¿Cuál cree que fue la función CuSO 4 acuoso en el generador? Compruebe su respuesta al final de esta investigación. Anote la naturalez y lpos resultados de su prueba. En el experimento al juntarse el sulfato de cobre con el Zn, al cabo de un cierto tiempo cambia de color a un rojo ladrillo. Esa coloración se va perdiendo en el pasar del tiempo y nos indica que se acabó la reacción en el generador.
7.3) ¿Porque se cubrió el generador con una toalla antes de añadir H 2SO4 en el paso 2? Esto es debido porque al juntarse el Zn metálico con el ácido sulfúrico la reacción desprende calor, es decir es exotérmica.
7.4) Escriba las ecuaciones de la reducción con hidrogeno de la magnetita, Fe3O4, pirolusita, MnO2, y cromita, Cr 2O3, FeO. Solucion
→ − //∗ − + → → →
→ −//∗ − + → → →
→ −//∗ − + → → →
→ − − + → → →
7.5 ¿Qué volumen de vapor de agua, medido en el origen de su formación en el tubo de ensayo, tendrá que haber producido 2.00g de CaO en esta práctica? Suponga que la temperatura de la llama del mechero de Bunsen era de 1800ºC y la presión atmosférica de 740torr. Solución
→ 2× 1 × 1 2 = 0.0252 80 1
Entonces con la ecuación:
0.025 ∗62.4(∗ )∗2073 ∗ ∗ = = 4.37 740 = 4.37
7.6) Muestre por cálculo que reactivo estaba presente en exceso en el fracaso generador Solución:
→ ↑ 1 = 0.2308 15 × 1 × 65 1 0.2308 Para el ácido sulfúrico: pureza=95.97%, densidad=1.84 (g/ml)
× 95.97 × 1 × 1 = 0.901 50 × 1.84 1 100 98 1 El reactivo en exceso es el ácido sulfúrico.
7.7) Es necesario que 5.10g de Al2O3 sean reducidos por el H2, (a) ¿Cuantos gramos de Zn, se tiene que tratar con ácido para que se produzca la deseada cantidad de H2? (b) ¿Que volumen mínimo de H 2SO4 6.00M. se tiene que añadir al Zn, para producir la cantidad requerida de H2? Solución:
De:
→ − //∗ − + → → → → ↑
(a)
× 3 × 1 × 65 = 9.75 5.10 × 1 102 1 1 1 (b)
× = 25 0.15 ×
7.8) Una corriente de 0.193A circula durante 60minutos a través de 300ml de una disolución 0.1M de NaCl. Si en el ánodo solo se genera gas cloro, mientras que en el cátodo se reduce agua en gas hidrogeno. ¿Cuál será la concentración de los iones hidróxido en la solución después del proceso de electrolisis? solución:
→ −á − → á → Con la ecuación de Faraday:
0.193 0.193 ∗3600 ∗3600 ∗ 712 [ ] = = 0.2556 0.2556 96500[ ] × 2 = 0.0072 0.2556 × 1 71 1 La concentración será:
= 0.0072 → = 0.024 0.024 0.3 7.9) En el laboratorio de química general de la Facultad de Ingeniería de la UMSA. En el voltámetro de Hoffman, se hace pasar una corriente de 200 miliamperios durante 10 minutos. ¿Qué volumen de oxigeno se desprende en el ánodo en condiciones normales de presión y temperatura? Solución
Las reacciones para el agua son: En el ánodo: (oxidación)
→ + − En el cátodo: (reducción)
− → − 0.2 0.2 ∗600 ∗600 ∗ 324 [ ] = = 0.009948 96500[ ]
× 22.4 × 1000 = 6.96 0.009948 × 1 32 1 1 7.10) Una muestra impura de cinc reacciona con exactamente 129ml de ácido clorhídrico que tiene una densidad de 1.18g/ml y contiene 35% de HCl en masa (a) ¿Cuál es el porcentaje de cinc metálico en la muestra? Suponga que la impureza es inerte frente al HCl. (b) ¿Que volumen de hidrogeno gaseoso se obtiene a una temperatura de 25ºC y presión manométrica de 0.1bares? Solución:: Solución
→ 35 × 1 × 1 × 65 = 47.44 129 × 1.18 × 1 100 36.5 2 1 (a) No tenemos la masa inicial de cinc, por lo tanto faltan datos. Si asumimos al inicio 50g de cinc entonces:
% = 47.44 ∗100% = 94.88% 50 (b) 47.44 × × = 0.73 Entonces con la ecuación de estado:
∗∗ ∗298 ∗0.082 0.73 ∗ ∗ = = 180.66 180.66 0.0987 7.11) El ácido sulfúrico (H 2SO4) reacciona con el cinc metálico (Zn) formando sulfato de cinc (ZnSO4) y desprendiendo H2. Se requiere conocer la cantidad de H2SO4 al 10% necesaria para la obtención de 40g de ZnSO4 cristalizado con 7 moléculas de agua. Solución:
→ ↑ × 1 × 98 × 100 = 136.58 40 ∗ 7 × 2871 ∗ 7 1 1 10 7.12) Explique el método de la obtención: REFORMADO Y PRODUCCION BIOLOGICA
Reformado: El reformado, consiste en la reacción de los hidrocarburos los hidrocarburos con la presencia de calor y vapor de agua. Dicho método permite producir grandes cantidades de hidrógeno con un bajo coste, partiendo del gas natural. Como desventaja de éste método, podemos decir, que a pequeña escala no es muy rentable ni comercial, y el hidrógeno producido suele contener impurezas, siendo incluso en ciertas ocasiones necesaria la limpieza posterior, o la realización de reacciones secundarias, con el fin de intentar purificar el producto de hidrógeno. Se suele relacionar fácilmente con la fijación del CO2, o almacenamientos de carbono, lo que hace que las emisiones del CO, incluido su proceso de fijación, supongan un problema para este método, pues genera una serie de costes adicionales. Producción biológica: Las bacterias, y las algas, producen p roducen hidrógeno de manera natural y directa, cuando se encuentran en determinadas condiciones. Este proceso, durante los últimos años, ha sido muy estudiado, debido a su gran potencial, pero hay que decir que es un proceso bastante lento de obtención del hidrógeno, y además se necesitan grandes superficies, sin mencionar que la gran mayoría de los organismos apropiados para éste método, no se han encontrado todavía, aunque es un proceso en pleno estudio y desarrollo. 8. BIBLIOGRAFÍA:
Química General J. Babor – J. Ibarz Guía para Laboratorio de Química Inorgánica http://depa.fquim.unam.mx/QI/EL-HIDROGENO.htm https://previa.uclm.es/profesorado/pablofernandez/QG-07hidrogeno%20teoria.pdf
